西部典型環(huán)境中陰極保護測試探頭的適用性

(中國石油西部管道公司，烏魯木齊 830013)

陰極保護極化電位作為陰極保護的關(guān)鍵參數(shù)，是監(jiān)、檢測和控制陰極保護效果的重要指標(biāo)。在實際工作中,常采用瞬間中斷電源的方法來獲得埋地鋼質(zhì)管道的瞬間斷電電位,并以此來代表管道極化電位，判斷管道的陰極保護是否滿足標(biāo)準要求。但是在某些情況，管道的斷電電位不易測量，NACE TM 0497中指出：如果存在雜散電流,犧牲陽極與管道直接相連,或存在外部強制電流設(shè)備并且不能被中斷的情況，很難得到理想的測量結(jié)果，這就需要采用試片或探頭來測量真實的管道電位[1]。陰極保護測試探頭是測試試片和參比電極的組合體,測試試片和管道材質(zhì)相同[2]，模擬了管道上的涂層漏點,通過試片和參比電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小了陰極保護電位測量過程中的IR降誤差。隨著實際生產(chǎn)中雜散電流干擾情況的日益增多，采用陰極保護測試探頭對陰極保護有效性進行測試與評估已成為一個重要的發(fā)展趨勢[3]。實踐表明,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是決定陰極保護測試探頭技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，而這些問題均與土壤環(huán)境密切相關(guān)。

近年來，西部管道公司已經(jīng)將測試探頭技術(shù)應(yīng)用于陰極保護的有效性檢測和評估工作中，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)了很多失效現(xiàn)象:如有些探頭埋設(shè)一兩年甚至不到一年就已經(jīng)失效,還有些探頭測試數(shù)據(jù)和管道斷電電位數(shù)據(jù)存在較大差異。這些問題嚴重影響了對陰極保護效果的有效評判。而目前圍繞陰極保護測試探頭在西部地區(qū)土壤中的應(yīng)用情況尚未開展過系統(tǒng)研究。已有的探頭應(yīng)用研究多分布于中國東南部區(qū)域，而西部區(qū)域土壤環(huán)境及物性參數(shù)和東南部區(qū)域存在較大差異,有必要研究陰極保護測試探頭在我國西部土壤環(huán)境中是否滿足要求。本工作針對西部區(qū)域的土壤環(huán)境特征，開展了陰極保護測試探頭結(jié)構(gòu)適用性研究，以期為陰極保護測試探頭在西部管道公司的有效應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗

1.1 探頭的結(jié)構(gòu)

陰極保護測試探頭(以下簡稱探頭)主要由測試試片、參比電極以及將二者結(jié)合在一起的探頭結(jié)構(gòu)體與測試電纜組成。根據(jù)目前市場上主要的探頭類型以及西部地區(qū)土壤特點，篩選并設(shè)計了整體式電解液型測試探頭(1型探頭)、整體式固態(tài)鋅測試探頭(2型探頭)以及參比電極可更換式測試探頭(3型探頭)。3種探頭用于現(xiàn)場試驗，每種探頭都配備了自然腐蝕測試試片與陰極保護極化試片，試片面積為6.5 cm2，材料為X80鋼。其中自然腐蝕測試試片不和管道電連接，用于評估試片在埋設(shè)環(huán)境中的自腐蝕電位(Ecorr)，而陰極保護極化試片和管道通過測試樁進行電連接，可以實現(xiàn)試片通、斷電電位測量，用于模擬評估試片埋設(shè)位置管道涂層缺陷處的陰極保護水平。

1型探頭為傳統(tǒng)的長效硫酸銅參比電極與測試試片的組合設(shè)計結(jié)構(gòu);2型探頭為高純鋅參比電極與測試試片的組合體結(jié)構(gòu)，鋅參比電極外側(cè)配備填包料，成分與鋅合金犧牲陽極填包料的相同;3型探頭由測試試片、參比電極安裝更換通道及可更換式銅/飽和硫酸銅參比電極三部分組成，參比電極可根據(jù)需要定期從安裝通道中取出檢查或更換，3種探頭的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

(a) 1型探頭(b) 2型探頭

(c) 3型探頭圖1 3種探頭的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of 3 kinds of probes: (a) type 1 probe; (b) type 2 probe; (c) type 3 probe

1.2 探頭的現(xiàn)場安裝

加工制做了24套探頭(每種探頭做8套),為了保證探頭的工作性能，在運往現(xiàn)場前，在實驗室內(nèi)采用校準過的便攜式硫酸銅參比電極對所有探頭進行測試，確保試片連接性均良好，參比電極皆正常。

根據(jù)西部地區(qū)土壤特點，選取了沙漠、戈壁、農(nóng)田以及濕地4種典型的土壤環(huán)境，進行探頭適用性現(xiàn)場試驗。將3種探頭分別安裝于4種典型的西部土壤環(huán)境中，在每種典型土壤環(huán)境中均埋設(shè)3種探頭樣品，每種探頭埋設(shè)2組，一組用于本項目1 a期試驗研究，另一組用于長期性能試驗。

1.3 試驗方法

測試了3種探頭中試片的自腐蝕電位、通電電位及斷電電位。1 a期試驗過程中，對4種環(huán)境中3種探頭進行了4次測試，分別為探頭埋設(shè)后立即開展的測試,探頭埋設(shè)3個月后、探頭埋設(shè)6個月后、探頭埋設(shè)1 a后開展的測試。文中所述電位均相對于銅/硫酸銅參比電極(CSE)。

2 結(jié)果與討論

2.1 探頭穩(wěn)定性測試

由圖2可見:在戈壁和沙漠環(huán)境中，1號探頭及3號探頭測得的試片的通、斷電電位相近，而2號探頭測得的試片通、斷電電位均存在較大波動;在農(nóng)田環(huán)境中，1號探頭測得試樣在埋設(shè)0和3個月的通、斷電電位較正常，埋設(shè)6個月后，1號探頭測得數(shù)據(jù)明顯偏正，說明探頭失效。2號探頭埋設(shè)1 a后測得試樣的通、斷電電位偏正，且波動幅度遠大于3號探頭的。由圖2還可見：在濕地環(huán)境中，3種探頭測得結(jié)果均相對正常，在試片面積相同的情況下，試片在濕地環(huán)境中的斷電電位明顯負于在其他環(huán)境中的，說明試樣在濕地條件下易極化。

在沙漠環(huán)境中，采用地表參比電極測得的管地電位與采用埋設(shè)于管道附近的3種探頭測得的管地電位存在較大偏差，同時測量地表參比電極和埋于管道同深的探頭參比電極之間的電位差時無法正常讀數(shù)。分析原因，主要是沙漠地區(qū)地表土壤干燥，地表參比電極接觸電阻非常大，造成地表參比電極測得的電位存在較大誤差，因此在沙漠地區(qū)，要測得比較準確的管地電位，不建議采用地表參比電極，需要采用深埋式參比電極。

2.2 試片在西部地區(qū)不同環(huán)境中的自腐蝕電位

在4種環(huán)境中，采用不同探頭測得試片的Ecorr相近，故取不同探頭測得試樣的自然腐蝕電位平均值來考察不同環(huán)境中管線鋼自腐蝕電位的差異以及自腐蝕電位隨時間的變化規(guī)律。圖3所示數(shù)據(jù)均采用與管道材質(zhì)相同的試片與近參比電極測得，可表示管線鋼的Ecorr。試片與管道之間不存在電連接，測量結(jié)果穩(wěn)定，沒有明顯的雜散電流干擾跡象。在戈壁、農(nóng)田及濕地3種典型環(huán)境中測得的地表2 m埋深土壤平均電阻率分別為89.2 Ω·m，139.5 Ω·m及19.8 Ω·m，沙漠環(huán)境由于土壤電阻率過大，采用Wenner四極法未能測出。

(a) 戈壁(b) 沙漠

(c) 農(nóng)田(d) 濕地 圖2 4種環(huán)境中不同探頭測得的試片的通、斷電電位隨時間的變化曲線圖Fig. 2 The variation curves of on and off potentials of samples vs. time measured by different probes in 4 different environments: (a) gobi；(b) desert；(c) farmland；(d) wetland

由圖3可見:在戈壁、沙漠、農(nóng)田及濕地等4種典型的西部土壤環(huán)境中，測得X80管線鋼在埋設(shè)3～12個月后的Ecorr分別為-0.45～-0.55 V，-0.55～-0.65 V，-0.50～-0.55 V及-0.76～-0.90 V。由圖3還可見：試樣在濕地環(huán)境中的Ecorr明顯負于在其他環(huán)境中的，即濕地環(huán)境的腐蝕性最強。

由圖4可見:試樣在戈壁、沙漠、農(nóng)田及濕地等4種環(huán)境中的Ecorr隨埋設(shè)時間的延長均存在一定幅度的變化，變化范圍分別為100 mV，50 mV，50 mV及140 mV。試樣在戈壁、沙漠及農(nóng)田等3種環(huán)境中埋設(shè)1 a,其Ecorr的變化幅度小于100 mV，而在濕地環(huán)境中,試樣的Ecorr變化幅度達到140 mV。試樣在濕地環(huán)境中的自腐蝕電位較負與該環(huán)境較高的含水量及較低的氧含量有較大關(guān)系，如此負的自腐蝕電位可能會影響到陰極保護電位判據(jù)的選取。

圖3 試片在西部4種典型環(huán)境中埋設(shè)不同時間后的自腐蝕電位Fig. 3 Ecorr of samples in 4 typical environments for different times

3 結(jié)論

(1) 在戈壁、沙漠、農(nóng)田、濕地等4種典型的西部土壤環(huán)境中對3種陰極保護測試探頭進行了為期1 a的適用性評價。結(jié)果表明，固態(tài)鋅測試探頭在戈壁、沙漠、農(nóng)田等3種土壤環(huán)境中均呈現(xiàn)較大的波動，最大極化電位偏移幅度超過300 mV；整體式電解液型測試探頭在農(nóng)田環(huán)境中埋設(shè)6個月后出現(xiàn)失效；參比電極可更換式測試探頭在各種環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)均無異常。參比電極可更換式測試探頭在1 a試驗期內(nèi)測得數(shù)據(jù)可靠性最高。

圖4 在西部4種典型環(huán)境中測得的自腐蝕電位隨時間的變化曲線Fig. 4 The curves of self corrosion potential with time measured in 4 typical western environments

(2) 在沙漠環(huán)境中，整體式電解液型測試探頭沒有出現(xiàn)失效，但由于沙漠土壤含水少，應(yīng)用更長時間存在電解液滲漏速率快的風(fēng)險，因此其使用壽命有待更長時間試驗驗證。參比電極可更換式測試探頭由于采用插入式參比電極而方便檢查更換，且靠近管道，這為解決沙漠地區(qū)的陰極保護電位測量提供了一個有效工具。

(3) 試樣在戈壁、沙漠及農(nóng)田環(huán)境中埋設(shè)1 a后，其Ecorr為-0.55～-0.65 V，且1 a內(nèi)的變化幅度小于100 mV；在濕地環(huán)境中，試樣在試驗期間的Ecorr為-0.76～-0.90 V，變化幅度達到140 mV，自腐蝕電位最負達到-900 mV。